為達(dá)到各界對5G通訊高傳輸率、低延遲、高網(wǎng)路容量密度等共識目標(biāo)，通訊業(yè)者正積極朝使用更高頻段頻譜、引進(jìn)新的調(diào)變與天線技術(shù)，以及整合異質(zhì)網(wǎng)路等三大方向投入研發(fā)。掌握關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，可以發(fā)掘未來十幾年科技與通訊領(lǐng)域重大商機(jī)。

　　2017年5G發(fā)展將全速前進(jìn)。在各國政府與主要通訊大廠競相投入下，5G技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展已更趨明朗，日前美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)完成5G頻譜分配規(guī)劃、高通(Qualcomm)與Intel都將推出晶片解決方案，另外，Verizon攜手七家5G技術(shù)論壇伙伴一同研擬自訂5G標(biāo)準(zhǔn)期在2017年提前商用，這些進(jìn)展在在皆顯示全球5G發(fā)展能量已迅速積累，2017年市場熱度更將攀升至新高點(diǎn)。

　　為達(dá)到各界對5G通訊高傳輸率、低延遲、高網(wǎng)路容量密度等共識目標(biāo)，通訊相關(guān)業(yè)者正積極朝使用更高頻段頻譜、引進(jìn)新的調(diào)變與天線技術(shù)，以及整合異質(zhì)網(wǎng)路等三大方向投入研發(fā)。因此，本次活動(dòng)特別邀請研究單位與技術(shù)領(lǐng)先的廠商擔(dān)任講師，剖析如何運(yùn)用6GHz以下頻段與毫米波頻段達(dá)到更高傳輸速率;并介紹通用分頻多工(GFDM)、MassiveMIMO、行動(dòng)邊緣運(yùn)算(MEC)等5G關(guān)鍵技術(shù)。

　　5G產(chǎn)業(yè)愿景?科技發(fā)展核心

　　3GPP的第五代行動(dòng)通訊愿景分成三個(gè)部分，Nokia端到端解決方案部資深技術(shù)經(jīng)理Johan Asplund(圖1)說，傳統(tǒng)的行動(dòng)寬頻重點(diǎn)為Extreme Mobile Broadband，目標(biāo)是無論何時(shí)何地傳輸速率皆可達(dá)100Mbit/s，峰值速率(Peak Rate)超過10Gbits/s;而大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)Massive Machine Communication，強(qiáng)調(diào)低成本、低耗電、大量連結(jié)，每平方公里100萬個(gè)節(jié)點(diǎn);特殊應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)Critical Machine Communication，強(qiáng)調(diào)低延遲(Low Latency)、高可靠度(Ultra Reliability)、無行動(dòng)中斷(Zero Mobility Interruption)。

　　圖1，Nokia端到端解決方案部資深技術(shù)經(jīng)理Johan Asplund說，5G的重點(diǎn)為Extreme Mobile Broadband、Massive Machine Communication與Critical Machine Communication。

　　5G高速傳輸有一個(gè)重點(diǎn)，就是采用高頻毫米波頻段，大約是在24GHz～86GHz，詳細(xì)使用頻段還有賴各國政府與電信主管機(jī)關(guān)訂定。另外，更多頻道同時(shí)傳送訊息，也有助于傳輸速率的提升，運(yùn)用大規(guī)模多進(jìn)多出(Massive MIMO)技術(shù)，搭配波束成型(Beamforming)、波束追蹤(Beam Tracking)技術(shù)可大幅提升傳輸速率與品質(zhì)。而結(jié)合不同網(wǎng)路頻寬的異質(zhì)網(wǎng)路整合技術(shù)，是提升傳輸速率的方式。彈性的框架設(shè)計(jì)與分散式的架構(gòu)，也是發(fā)展重點(diǎn)。

　　在產(chǎn)業(yè)預(yù)期進(jìn)展部分，Johan Asplund表示，今年在北美地區(qū)，定點(diǎn)的無線傳輸速率將達(dá)1Gbits/s，峰值速率將達(dá)5Gbits/s。2018年韓國昌平冬季奧運(yùn)，將推出試運(yùn)行的5G服務(wù)，除了強(qiáng)化行動(dòng)性，無線傳輸?shù)姆逯邓俾蕦⑦M(jìn)展至10Gbits/s，網(wǎng)路延遲將縮短至1毫秒(ms)，頻帶的應(yīng)用將擴(kuò)展到30GHz;

　　2019～2020年，日本、大陸、歐洲都將陸續(xù)導(dǎo)入商轉(zhuǎn)，包括史上最盛大的歐洲國家杯足球賽、東京奧運(yùn)，非授權(quán)頻段的頻寬應(yīng)用等愿景將陸續(xù)達(dá)成。

　　提升網(wǎng)路資源管理效率

　　與現(xiàn)有4G LTE相較(表1)，5G的網(wǎng)路復(fù)雜度大為提升，Nokia臺(tái)灣暨香港澳門大中國區(qū)端到端解決方案總監(jiān)王集祥(圖2)指出，5G將WiFi、4G LTE、LPWAN等過去各自獨(dú)立運(yùn)作的網(wǎng)路連在一起，也透過多種新的技術(shù)提升網(wǎng)路頻寬與應(yīng)用范疇。由于應(yīng)用太多元，必須要透過不同的網(wǎng)路切片(Network Slicing)，區(qū)隔各種不同的垂直產(chǎn)業(yè)，以滿足不同的需求。最后，4G對云端的應(yīng)用比較單純，5G對云端的應(yīng)用將更為全面與深入。

　　圖2，Nokia臺(tái)灣暨香港澳門大中國區(qū)端到端解決方案總監(jiān)王集祥指出，5G將過去各自獨(dú)立運(yùn)作的網(wǎng)路連在一起，也透過多種新的技術(shù)提升網(wǎng)路頻寬與應(yīng)用范疇。

　　圖3，SGS電子通訊實(shí)驗(yàn)室副理廖兆祥指出，在2020年5G時(shí)代，行動(dòng)用戶數(shù)將較2015年成長1.3倍達(dá)92億，行動(dòng)寬頻用戶將成長2.3倍達(dá)84億。

　　從網(wǎng)路資源的應(yīng)用來看，王集祥解釋，5G有一個(gè)很重要的觀念叫動(dòng)態(tài)資源管理(Dynamic resource management)，由于頻寬資源是有限的，所以必須要更精準(zhǔn)的管理，提供需要的使用者高頻寬或長時(shí)連結(jié)并動(dòng)態(tài)調(diào)整。軟體定義網(wǎng)路(Software Defined Networking, SDN)和網(wǎng)路功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)也會(huì)越來越重要，不僅會(huì)共同運(yùn)作，也對網(wǎng)路資源的自動(dòng)化管理與控制非常重要。

　　在應(yīng)用上，王集祥舉例，自動(dòng)駕駛、健康、智能電表這三種應(yīng)用對網(wǎng)路的需求截然不同，如何順利達(dá)成個(gè)別目的，網(wǎng)路切片成為未來最主要的手段，網(wǎng)路控制系統(tǒng)會(huì)透過不同參數(shù)的設(shè)定，包括成本、距離、服務(wù)品質(zhì)、資料速率、動(dòng)/靜態(tài)、電池壽命、延遲等不同參數(shù)的需求，分析出相關(guān)應(yīng)用的網(wǎng)路需求，加以模組化并提供最適合的網(wǎng)路資源給不同的服務(wù)。另外，動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)管理(Dynamic Experience Management)相較于過去大多是靜態(tài)的管理，不僅能更即時(shí)也提供消費(fèi)者更好的使用者經(jīng)驗(yàn)。

　　5G滲透率更高?技術(shù)挑戰(zhàn)也不小

　　在5G三大主要應(yīng)用當(dāng)中，華碩電腦系統(tǒng)整合開發(fā)處賴文政博士說明，高傳輸速率的應(yīng)用網(wǎng)路架構(gòu)中有幾個(gè)重點(diǎn)，包括網(wǎng)路功能虛擬化、智能型行動(dòng)運(yùn)算、小型基地臺(tái)系統(tǒng)、小型基地臺(tái)射頻晶片與射頻收發(fā)器子系統(tǒng)。大量物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)包括：物聯(lián)網(wǎng)感測器(IoT Sensor)、物聯(lián)網(wǎng)使用者終端(MTC UE)、物聯(lián)網(wǎng)存取點(diǎn)/閘道器(MTC AP/GW)、網(wǎng)路功能虛擬化與物聯(lián)網(wǎng)垂直服務(wù)應(yīng)用等。

　　5G之所以引起各界矚目，重點(diǎn)就在其將更深入每一個(gè)人的工作、生活、學(xué)習(xí)等各個(gè)層面，SGS電子通訊實(shí)驗(yàn)室副理廖兆祥(圖3)指出，在2020年5G時(shí)代，行動(dòng)用戶數(shù)將較2015年成長1.3倍達(dá)92億，行動(dòng)寬頻用戶將成長2.3倍達(dá)84億，行動(dòng)終端連接數(shù)將成長1.5倍達(dá)116億，智能型手機(jī)用戶將成長1.8倍至61億，行動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端連結(jié)數(shù)將成長5倍至31億，行動(dòng)穿戴裝置連結(jié)數(shù)將達(dá)6.7倍至6億，行動(dòng)資料流量將成長8.3倍至每月30.6EB，5G用戶數(shù)2021年也預(yù)期將成長至1.5億，5G可以說是未來幾年科技與數(shù)位生活的推進(jìn)器，也是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的引擎。

　　圖4，資策會(huì)智通所主任馬進(jìn)國解釋，調(diào)變是一種將一個(gè)或多個(gè)周期性的載波混入想傳送訊號的技術(shù)，常用于無線電波的傳播與通訊。

　　至于天線的構(gòu)型，除了最傳統(tǒng)的平面陣列式天線之外，廖兆祥表示，因應(yīng)不同使用情境或收訊需要，廠商也發(fā)表了許多不同型態(tài)的天線，如筒形、角錐、五面/六面錐形，Massive MIMO目前還有一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括資料瓶頸(Data Bottleneck)、校正(Calibration)、耦合(Mutual Coupling)、不規(guī)則陣列(Irregular Arrays)與設(shè)計(jì)復(fù)雜性(Complexity)，由于陣列天線復(fù)雜度較傳統(tǒng)天線大為提升，所以設(shè)計(jì)與模擬、測試等工作就更加重要。

　　毫米波(mmWave)利用高頻段以提供高傳輸速度，而提高傳輸速率，需有MassiveMIMO、Small Cell等搭配才得以實(shí)現(xiàn)，廖兆祥認(rèn)為，其困難在于高頻本身的嚴(yán)重衰減特性，以及如何實(shí)現(xiàn)高頻電路設(shè)計(jì)。而MassiveMIMO可以提升資料傳輸率和連結(jié)穩(wěn)定性，資料的接收和傳輸并完成編碼為一大挑戰(zhàn)，如何將通道狀態(tài)的資料從接收器傳送到傳輸器，以便預(yù)先完成編碼則是主要的困難。

　　5G調(diào)變技術(shù)發(fā)展

　　5G由于采用過去多應(yīng)用在軍事、航太的30GHz以上超高頻毫米波頻段，為達(dá)成高速傳輸，勢必采用全新的調(diào)變(Modulation)技術(shù)，資策會(huì)智通所主任馬進(jìn)國(圖4)表示，調(diào)變是一種將一個(gè)或多個(gè)周期性的載波混入想傳送訊號的技術(shù)，常用于無線電波的傳播與通訊，利用電話線的數(shù)據(jù)通訊等各方面。依調(diào)變訊號的不同可區(qū)分為數(shù)位調(diào)變及類比調(diào)變，這些不同的調(diào)變，是以不同的方法，將訊號和載波合成的技術(shù)。

　　圖5，工研院資通所新興無線應(yīng)用技術(shù)組副組長陳文江表示，一般而言30GHz以上的頻段才稱為豪米波，5G會(huì)從6GHz開始慢慢往越高頻發(fā)展。

　　馬進(jìn)國強(qiáng)調(diào)，所有調(diào)變的原理都來自于1948年C.E. Shannon的Shannon Theory：C=B*log2(1+S/N)。近年來所有調(diào)變技術(shù)都是從這個(gè)理論而來，相信未來5G NR(New Radio)中的調(diào)變技術(shù)也會(huì)是如此。目前為業(yè)界討論較多的調(diào)變技術(shù)包括：Filter Bank Multicarrier(FBMC)、Universal-Filtered Multi-Carrier(UFMC)、Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM)、Filtered-OFDM與Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA)等，新的調(diào)變技術(shù)以滿足高傳輸速率為主，但也同時(shí)需要可以應(yīng)用在大規(guī)模與特殊應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)上。

　　5G頻段漸次往高頻毫米波發(fā)展

　　高速傳輸?shù)牧硗庖粋€(gè)重點(diǎn)就是毫米波mmWave，工研院資通所新興無線應(yīng)用技術(shù)組副組長陳文江(圖5)說，一般而言30GHz以上的頻段才稱為毫米波，目前工研院是國內(nèi)進(jìn)行毫米波研究最主要的團(tuán)隊(duì)，5G的頻段會(huì)從6GHz開始，慢慢往越高頻發(fā)展，雖然近年各大廠展出毫米波技術(shù)應(yīng)用一直到73GHz或更高都有，不過那么高頻的應(yīng)用不會(huì)在5G剛開始的幾年投入市場，現(xiàn)階段11GHz是還不錯(cuò)的頻段，再來就是最多國家投入的28GHz，然后是38GHz，這也是工研院目前投入研究的主要頻段，不過越往高頻發(fā)展，路徑損失(path loss)的問題就更嚴(yán)重。

　　圖6，元智大學(xué)電機(jī)系助理教授彭朋瑞指出，5G未來運(yùn)作于30GHz以上毫米波頻段，對于電路設(shè)計(jì)亦帶來重大的挑戰(zhàn)。

　　毫米波應(yīng)用有以下幾個(gè)挑戰(zhàn)，通道量測(Channel measurement)對訊號的傳輸有很大的影響，相位陣列天線與波束成型(Phased array antenna/Beam forming)也攸關(guān)天線訊號與終端的溝通，除了波束成型之外波束追蹤也同樣影響訊號的良窳;另外，在同樣空間中太多裝置存取，就可能產(chǎn)生波束成型下的阻塞;另外，毫米波訊號覆蓋的范圍比較小，如果在小范圍內(nèi)有許多使用者需要連結(jié)，相關(guān)的支援非常重要。

　　高頻電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)驗(yàn)證挑戰(zhàn)

　　5G未來運(yùn)作于30GHz以上頻段，對于電路設(shè)計(jì)亦帶來重大的挑戰(zhàn)，元智大學(xué)電機(jī)系助理教授彭朋瑞(圖6)指出，以60GHz相位陣列收發(fā)電路為例，可以采用兩次升頻的方法，讓其頻率從基頻的數(shù)位訊號，轉(zhuǎn)換到60GHz高頻再發(fā)射。另外，接收器也是采用類似的兩次降頻方法將高頻訊號降為基頻處理器可以處理的訊號。

　　圖7，Keysight應(yīng)用工程師涂智元表示，5G系統(tǒng)復(fù)雜度遠(yuǎn)超過過去任何一代行動(dòng)通訊技術(shù)，訊號量測在5G時(shí)代更形重要。

　　在訊號前端的功率放大器(Power Amplifier, PA)上，也是目前發(fā)展過程中很重要的元件，由于未來訊號收發(fā)頻率范圍非常寬廣，純矽元件無法負(fù)擔(dān)，目前被業(yè)界點(diǎn)名較頻繁的材料為氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)。5G系統(tǒng)復(fù)雜度遠(yuǎn)超過過去任何一代行動(dòng)通訊技術(shù)，所以在開發(fā)階段準(zhǔn)確的訊號量測是系統(tǒng)驗(yàn)證非常重要的一環(huán)，Keysight應(yīng)用工程師涂智元(圖7)表示，訊號量測在5G階段更形重要。

　　近年測試認(rèn)證廠商非常強(qiáng)調(diào)高頻訊號的量測能力，主要就是為了因應(yīng)5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在初期協(xié)助客戶建立通道模型也是重點(diǎn)之一。涂智元指出，除了高頻訊號之外，波束成型的波形必須要透過不斷的驗(yàn)證、調(diào)整，以找出系統(tǒng)最佳化的方案，不同的客觀環(huán)境與應(yīng)用需求將帶來不同挑戰(zhàn)，其驗(yàn)證技術(shù)也必須要走在產(chǎn)業(yè)前面貼近產(chǎn)業(yè)的脈動(dòng)，并與客戶站在一起，才可以提供最佳化的測試解決方案。